Drone's DIYer

근래에 드론(Drone)이 레저 스포츠로 각광을 받으며 국내에서도 동호회가 봇물처럼 생겨나고 있습니다. 이런 이유로 야외나 주변 공원에서 드론을 날리를 모습을 심심치 않게 보게 됩니다. 특별히 드론으로 레이싱 경기를 하지 않는 이상 일반인도 구매에서부터 쉽게 비행할 수 있기 때문입니다.

예를 들어, 헬기를 비행하는 기존의 RC에서는 기체가 순간적으로 기울어지면 반대방향으로 싸이클릭을 주어 기체를 인위적으로 안정시키는데, 이는 거의 무의식적으로 이루어져야 추락을 면할 수 있으므로 비행을 즐기기 위해서는 마치 자전거를 배우는 것처럼(사실 이보다는 어렵습니다!)상당한 기간의 비행기술 습득 및 반복 연습이 요구되었습니다.

하지만 요즈음 드론은 기체의 수평을 잡아주는 장치나 각종 센서의 발달로 기체가 기울어지면 스스로 안정화시키고, 고도를 스스로 유지한다던가 아니면 비행지점을 설정해 놓으면 스스로 비행하는 자율 비행 기술이 발달함에 따라, 조종자는 이동하고자 하는 방향으로 조종간을 주기만 하면 되기 때문에 일반인도 쉽게 비행 가능하며, 전용 조종기 대신 스마트폰으로도 간단히 조종 가능하다는 것입니다.

뿐만아니라 드론의 대중화는 드론에 필요한 장치를 개발하고 판매하는 업체가 다양화되면서 장치들의 일정한 표준화가 이루어져, 완전히 조립된 기체에 싫증이 난 매니아층이나 성능 개선, 비용을 줄이기 위해서 드론 자작을 시도하는 사람들도 증가하는 추세라는 것입니다. 이러한 DIY(Do It Yourself)를 지향하는 사람들은 비행만큼이나 드론의 조립에도 특별한 경험과 즐거움을 갖게 된다는 것입니다.

하지만 드론을 자작하기 위해서는 드론에 대해서 어느 정도 지식이 요구되며 이로 인해서 어린이용 장난감과도 구분이 된다는 것입니다. 드론 부품은 국내외 온라인 사이트나 오프라인 매장에서 쉽게 구할 수 있는데, 어떤 분은 3D 프린터를 이용해서 기체의 프레임을 직접 자작하기도 합니다. 기체의 프레임이란 기체에서 비행제어기나 추진용 모터, 수신기, 각종 센서들을 제외한 이를 탑재하는 기구적인 기체를 의미합니다.

드론은 날개 수에 따라 쿼드콥터나 옥토콥터 등으로 구분되는데, 날개를 축 혹은 암(Arm)이라고 합니다. 날개가 4개이면 쿼드콥터이고 8개이면 옥토콥터가 되며 날개 수가 많을 수록 기체는 안정화되고 양력이 커서 무거운 짐을 더 많이 매달고 비행할 수 있습니다. 하지만 날개 끝에 프로펠러(줄여서 프롭(prop.))를 회전시키는 모터도 같이 증가하므로 밧데리 소모량이 많고 이는 체공시간의 감소를 가져와 고용량 밧데리의 사용으로 비용이 증가한다는 것입니다. 프롭을 회전하는 것이라는 하여 '로터(rotor)'라고도 부릅니다.

트라이콥터(Tricopter)

그러므로 초보자는 4개의 날개를 가진 쿼드콥터를 선택하는 것이 바람직하며, 드론을 전후좌우로 움직이기는 방향타를 주고 스로틀을 조절할 수 있는 저렴한 4채널의 조종기면 충분하다는 것입니다. 드론에 카메라를 장착하여 기구적으로 비행 중에 움직이길 원한다면 데이터를 주고받을 추가적인 채널이 필요하게 되는데, 채널의 증가는 곧 조종기의 비용으로 이어진다는 것입니다. 여기서 스로틀(throttle)이란 드론이 지상에서 양력을 얻어 이륙하고 착륙할 수 있도록 수직방향의 '엑셀레이터'와 같은 것입니다.

통상 초보자가 입문단계에서 기체의 비용은 20만원 전후도 있으며 4채널 조종기를 포함하여 40~60만원 정도로 구입할 수 있습니다. 기체가 커지거나 장착한 카메라 등의 조종이 필요하다면 비용은 증가하게 됩니다. 보통 초보에게는 250급 쿼드콥터가 추천되는데 250급이란 양 암(축)의 길이로 기체의 수평방향 폭과 같으며 이 길이가 250mm라는 것입니다. 완제품 드론의 구입시 조종기를 제외한 가격을 예시하는 경우도 많아 반드시 알아보고 구입해야 합니다.

드론은 구성은 기체 프레임(frame)과 모터(motor), 변속기(Electronic Speed Controller; ESC), 수신기(Receiver; Rx), 비행제어기(Flight Controller; FC), 밧데리(battery) 등으로 구성되며 드론을 조종할 수 있는 조종기(Transceiver; Tx)가 필요하게 됩니다. 여기서 카메라를 장착한다만 카메라 등의 별도의 장치가 필요하게 되고, 위성 신호를 수신하는 경우에 비행제어기에 포함되지 않고 외장 모듈로서 구입하여 장착하는 경우가 많습니다. 

기체 프레임(frame)은 근래에 유리 섬유(fiberglass sheet; G10)나 탄소 섬유(carbon fiber)의 재질이 대부분인데 특히 후자는 가볍고 잦은 추락에도 강인함이 있기 때문입니다. 모터는 프롭을 회전시켜 추력을 발생시키는 중요한 동력원으로 브러시(brush)가 있는 DC 모터보다는 브러시가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터를 사용하게 됩니다. 이는 브러시로 인하여 기구적인 내구성 문제도 있지만 고효율이라는 장점으로 고효율은 밧데리 수명과도 직결되기 때문입니다.

BLDC 모터는 우수한 특성을 갖지만 이를 제어하기 위해서는 까다로와 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어기를 구성하게 되며, 최근에서 BLDC의 부류이지만 유도 전동기와 개념이 동일한 PMSM 타입의 모터가 사용되는 추세입니다. 이는 BLDC 모터보다 정밀한 제어와 효율이 뛰어나지만 보다 고성능의 마이크로컨트롤러가 요구된다는 단점이 있습니다. 이러한 제어기는 전자적으로 속도를 제어한다고 하여 '전자 변속기'라 부르고 통상 ESC라 합니다. 따라서 쿼드콥터이면 각각 4개의 모터와 프롭 그리고 ESC가 필요하게 됩니다.

수신기와 송신기는 동일한 주파수를 사용하여 데이터를 주고 받는 장치로 기존의 주파수 변조 방식(FM)에서 크게 DSM(Digital Spectrum Modulation)과 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology) 등의 디지털 방식으로 진화하였고, 수 GHz의 주파수 사용으로 대역폭이 늘어나 이제는 송신기에서 일방적으로 데이터를 보내기보다는 기체의 센서로부터 각종 데이터 받아 조종자에게 보여주는 양방향 방식으로 변천하였고, 높은 주파수의 사용은 안테나 길이의 감소를 가져와 송신기의 거추장스러운 긴 안테나의 모습은 이제 사라지게 되었습니다.

또한 밧데리는 근래에 리튬폴리머(Li-Po) 타입을 사용하는데, 최소 1개의 셀이 3.7V로 250급 쿼드콥터에서 3개정도의 셀을 사용하여 11.1V를 만들게 됩니다. 이 3개의 셀을 '3S'라 쉽게 표현하고 3개의 셀을 직렬 연결하여 사용함을 의미합니다. 스마트폰에도 사용하는 리튬폴리머 전지의 특징은 충전용량이 높고 4개의 모터를 강력하게 회전시킬 수 있는 우수한 방전능력을 가지지만 사용시에나 충전시에 조건을 만족시키지 못하면 폭발하는 성질이 있어 전용 충전기가 반드시 필요하게 됩니다. 이는 대부분 별도의 비용이고 대부분의 쿼드콥터에서 비용이 합리적인 선에서 체공시간은 20분 정도로 20분 후면 밧데리가 완전 방전되게 됩니다.

마지막으로 비행제어기는 드론의 두뇌역활을 하는 마이크로컨트롤러가 탑재된 중앙처리장치로 송신기에서 보낸 지령을 수신기로 받아 이를 해석하고, 축의 모터에 연결된 변속기를 제어하는가 하면 고도센서와 같은 각종 센서들의 정보를 이용하여 기체의 안정도를 꾀하고, 필요하다면 조종자에게 알리며 센서를 이용하여 고도를 유지하거나 인공위성 신호를 분석하여 자동비행 모드에서 정해진 절차에 따라 기체의 비행을 스스로 시행하기도 합니다.

드론의 자작은 다양한 전기전자적인 지식을 요구합니다. 어디까지 개인의 취향에 맞게 개선하느냐에 따라 단순한 납땜을 비롯해 메이커만을 변경하는 문제에서 비행제어기나 변속기 내의 펌웨어까지도 수정할 수 있습니다. 후자의 경우 상당한 지식과 노하우가 요구되며 전문가이더라도 상당한 시행착오가 있을 수도 습니다. 드론 비행 자체는 결코 장난감이 아니며 남에게 상해 이상의 피해를 가할 수 있슴을 직시하고 안전에 만전을 기하여야 할 것입니다.

최근에 드론으로 인한 사고와 주변 안전이 우려되어 관련법의 마련이나 개정이 대두되고 있습니다. 또한 서울지역의 약 80%가 드론 비행 제한 구역이기에 드론을 날릴 때에서 각별히 유의해야 할 것입니다. 드론을 직접 자작하여 비행하면 기쁨은 분명 배가 될 수 있습니다. 하지만 때로는 인고의 노력과 유연한 인내심이 요구될 수도 있습니다. 자작에 앞서서 동호회 등에서 주변 지식에 대한 두루 섭력이 반드시 요구될 것입니다.

RapidESC는 Multicopter를 즐기는 DIY 매니아층에서 잘 알려진 이름으로 상업적인 ESC를 말하는 것은 아니며, 기존의 상업적인 ESC들의 최적화된 하드웨어에 Multicopter에서 사용할 목적으로 여러가지 성능이 향상된 펌웨어를 다시 탑재한 ESC를 말합니다.

다음은 RapidESC의 사이트에서 말하는 RapidESC는 무엇인지를 번역하여 올리니 참고하시기 바랍니다.

http://wiki.openpilot.org/display/Doc/RapidESCs

The RapidESC initiative was started to give an honest source of information regarding pre-made and re-flashed ESCs that are modified for extremely high performance on MultiCopters.

RapidESC에 대한 동기는 Multicopter 상에서 매우 향상된 성능을 갖도록 개선하여 미리 만들어지고(pre-made) 다시 프로그램하기(re-flashed) 위해 필요한 정보를 제공하기 위해서 시작되었습니다.

The OpenPilot Team and developers such as Simon Kirby have been working hard to create Open Source firmware that offers the Rapid ESC response performance which greatly enhances multirotor performance.

Simon Kirby와 같은 OpenPilot 팀과 개발자들은 Multirotor의 성능을 크게 향상시키는 빠른 ESC 응답 성능을 갖는 오픈 소스 펌웨어를 만들기 위해서 열심히 연구해왔습니다.

What is RapidESC?

RapidESC는 무엇인지요?

So, what exactly is RapidESC and why do I need it?

그럼 RapidESC는 정확히 무엇이며 왜 필요한지요?

Standard ESCs are actually not designed for multirotor applications. They are programmed to increase and decrease the throttle command towards the motor in a gentle way. The reason for this is quite obvious. Imagine a motor accelerating and decelerating so abruptly in a helicopter or car... it would damage the gears and reductions in no time. In a multirotor application, we really want just the opposite. The goal is to change the motor speed, and thus the thrust, as fast as possible to achieve a perfectly stable platform.

표준 ESC는 사실 Multirotor에 적용할 목적으로 설계되지 않았습니다. 이것들은 스로틀 명령을 모터로 온화한 방법으로 올리거나 내립니다. 이러한 이유는 매우 분명합니다. 헬리콥터나 자동차에서 매우 갑자기 모터를 가속하거나 감속하는 것을 상상해보세요... 이것은 즉시 감속 기어를 손상시킬 수 있습니다. Multirotor 분야에서 우리는 사실 그 반대 특성을 원합니다. 목표는 모터의 속도를 변화시키는 것이고 그러므로 완벽하게 안정된 자세를 성취하기 위해서 가능한한 빨리 추진력을 얻는 것입니다.

While the current ESCs used in most multrotor applications work considerably well, there is a lot of room for improvement. Using the same ESC, but loading it with dedicated optimized software, will increase the handling and stability of your multirotor greatly.

대부분의 Multirotor 분야에 사용되어지는 현재의 ESC는 상당히 잘 동작하는 반면에 많은 개선의 여지가 있다는 것입니다. 동일한 ESC를 사용해서 이러한 최적화된 펌웨어를 탑재하는 것은 여러분의 Multirotor의 안정성과 조종성을 크게 증가시킬 것입니다.

We call this RapidESC: converting your regular lazy ESC into a high speed capable speed controller at no extra cost, ready for multirotor applications.

우리는 이것은 RapidESC라고 부릅니다: 여러분의 일반적인 느린 ESC를 Multirotor에 사용하기 위해서 높은 속도가 가능한 ESC로 바꾸는 것은 어떤 추가적인 비용도 들지 않습니다.

In the below movie you can clearly see the advantage of a RapidESC vs an ESC with stock firmware.

아래 동영상에서 여러분은 분명하게 상업적인 ESC와 RapidESC의 장점을 볼 수 있을 것입니다.

http://www.youtube.com/watch?v=FLKIOPbXVnM

아두이노(Arduino)는 오픈 소스(Open Source)를 기반으로 한 단일 보드(board) 마이크로 컨트롤러입니다. 2005년 이탈리아 사람에 의해서 최초 만들어지기 시작한 프로젝트로 현재에도 진행 중에 있으며 Arduino는 이탈리아어로 영어의 'Best Friend'와 같은 의미를 가진다고 알려집니다.

아두이노는 대부분 Atmel社의 ATmega8이나 ATmega32U4, ATmega168, ATmega328, ATmega2560 등을 탑재한 보드로 이들 마이크로 컨트롤러에 탑재할 펌웨어(Firmware)를 개발하는 환경에서부터 컴파일 및 독립적으로 작동할 수 있도록 업로드 과정이 편리하여 최근에 전 세계적으로 인기를 끌고 있습니다. 

2011년에는 구글의 안드로이드(Android)가 아두이노를 하드웨어 파트너로 선택한 이유도 이런 확장성과 편리함 때문에 상호간에 시너지 효과를 기대해 보자는 것으로 풀이되며, 이러한 추세에 힘입어 얼마전에는 Intel社에서도 아두이노 플랫폼에 자사의 Quark Processor를 탑재한 갈릴레오(Galilo)를 출시하였는데, 이러한 것도 내내 동일한 맥락이라는 것입니다.

갈릴레오 보드

하드웨어에 서툰 사람들조차도 아두아노에 관심을 가지게 만드는 이유는 요구하는 제품이 기존의 AVR의 개발환경에 비하여 뚜렷하게 간소화됨으로 말미암아 편리함일 수도 있지만, 이러한 과정들이 복잡하지 않아 소프트웨어 제작이나 다양한 하드웨어 DIY(Do It Yourself)를 즐기는 사람들에게 호기심을 불러 일으키기에 충분하였기 때문일 것입니다.

그럼 아두이노는 어떤 장점이 있는지 요약하여 봅니다.

1) 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 간소화 되었다는 것입니다.

가장 큰 장점으로 기존의 AVR 프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하여 별도의 ISP 장치를 통해 업로드 해야하는 번거로운 과정을 거쳐야 하는데, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 보드 내 USB 포트에서 PC의 USB 포트로 케이블을 연결하는 것만으로 쉽게 업로드 할 수 있다는 것입니다.

2) Windows를 비롯한 Mac OS X 및 Linux와 같은 다양한 OS 환경을 지원합니다.

3) 다양한 소프트웨어와 연동이 가능하다는 것입니다.

사용자들이 기존에 즐겨 사용하여 익숙했었던 Flash나 Processing, Max/MSP, Android, Object C, Labview, Pure Data 등과 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다는 것입니다.

4) 가격이 저렴합니다.

사실 마이크로컨트롤러를 배우고 싶어서 강좌를 듣거나 데모보드를 구입하려면 최소한 수 십만원 정도 이상을 호가하는데, 이에 비해 아두이노 보드는 상대적으로 매우 저렴하다는 것입니다.

5) 아두이노는 오프 소스입니다.

아두이노는 보드의 회로도가 공개되어 있으며 개발환경 조차도 오픈 소스이고 이로 인해 각종 회로도나 펌웨어 소스가 웹상에서 다량 공유되어 있다는 것입니다. 뿐만 아니라 여러 개발자들이 만들어 놓은 라이브러리 조차도 공유되어 개발 시간을 단축시키고 있다는 것입니다. 

다음은 아두이노 포럼입니다.

http://forum.arduino.cc/

현재 가장 많이 사용되는 아두이노는 보드는 기본형 우노(Arduino UNO)로써 손바닥만한 크기를 가지면서 ATmega328을 탑재하고 있는데 6개의 아날로그 입력단자와 14개의 디지털 입출력단자를 지원합니다. 이러한 입출력 단자들은 우노 보드에 위로 쌓아(Stack-up) 연결된 확장보드(Shield 보드, Shield-up 보드)에 서로 연결되고, 사용자는 1개 이상의 이들 확장보드에 주변회로를 직접 꾸며주게 됩니다.

ESC는 Electronic Speed Controller의 약자로 우리말로 '전자변속기'라고 부릅니다. ESC는 밧데리로부터 전기를 전기모터에 공급하는 장치로 멀티콥터(Multicopter)를 비롯한 각종 RC 기체에 회전 동력을 필요로 하는 곳에 사용하여 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻거나, 멀티콥터의 짐벌(gimbal)에 응용하여 기계적 장치를 움직이게 합니다.

과거의 엔진기체에는 전기모터가 필요없지만 근래에는 밧데리 용량과 방전 특성이 크게 개선되어 전기모터를 동력원으로 하는 기체가 대중화되었습니다. 기존의 DC 모터를 사용하는 경우, 기계적 브러쉬(brush)로 회전자에 전기를 급전하기에 기계적 접점이 불가피하여 모터가 회전시 스파크나 소음이 발생하는 등 효율이 좋지 않고 모터의 수명 또한 단축되었습니다.

최근에는 이러한 기계적 접점을 없앤 브러쉬리스(brushless; BLDC) 모터가 등장하여 소음도 현저히 줄어들고, 반영구적이며, 효율이 개선되어 RC 기체의 정숙비행과 체공시간의 증대로 전동기체가 범람하게 되었습니다. 기존의 DC 모터를 구동하기 위해서는 스로틀(throttle)의 위치에 따라 트랜지스터(transistor)와 같은 액티브 스위치(active switch)를 PWM 형태로 개폐하므로 장치가 간단하지만 브러쉬리스 모터를 사용하는 경우 장치가 매우 복잡해지고 단가가 상승하게 됩니다.

BLDC 모터를 구동하는 ESC는 8-bit PIC나 AVR 시리즈 등의 마이컴(Micom)으로 정교하게 제어하는 방법을 채택하고, 상용 ESC의 제조사는 하드웨어를 제작하고 여기에 펌웨어(Firmware)를 적절히 튜닝하여 시판하게 됩니다. 최근에는 멀티콥터가 대중화되면서 이에 걸맞는 성능을 갖춘 예를 들어, 빠른 응답 특성을 가진 ESC를 필요로 하게 되었습니다.

이러한 요구는 전 세계적으로 ESC를 자작(DIY)하려는 매니아나 동호회를 등장시켰습니다. 대다수는 ESC는 동일 클럭에서 속도가 빠르고 내부에 A/D 컨버터나 비교기 등의 고기능을 지원하는 AVR를 사용하는데, 대부분 어셈블러(Assembler) 수준에서 펌웨어를 개발하기 때문에 일반인이 접근하기에는 쉽지 않다는 것입니다.

Wii-ESC는 멀티위(MultiWii) 등의 멀티콥터에 최적화된 ESC 펌웨어를 만들기 위한 오프 소스(open source) 펌웨어 개발 프로젝트로 전 세계적으로 여러 사람이 참여하고 있으며, 어셈블러가 아닌 C 언어 기반이므로 일반 매니아층도 펌웨어의 이해와 수정이 가능하여 자기만의 멀티콥터에 최적화된 펌웨어를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

다음은 Wii-ESC 프로젝트의 링크이며 소개를 간단히 번역한 것입니다.

(번역이 원문과 상이하거나 매끄럽지 못한 부분은 댓글로 남겨 주시면 감사하겠습니다)

http://code.google.com/p/wii-esc/

About

This firmware designed as a replacement for many commercially available ESC designs based on the AVR MCU. It implements scalar sensor less method to drive Brushless Motor by detecting BEMF zero-crossing instants. The goal of this project is to create firmware most suitable to use in multi-rotors, using cheap and commercially available hardware.

이 펌웨어는 AVR MCU에 기반을 둔 많은 상용 ESC를 위한 대체용으로 개발되었습니다. 이것은 역기전력(BEMF)이 '0' 레벨을 지나가는 순간(ZC point)를 감지함으로서 BLDC 모터를 구동하는 sensorless method를 구현하였습니다. 이 프로젝트의 목표는 저렴한 상용 하드웨어를 사용하여 멀티콥터에 가장 적합한 펌웨어를 만드는 것입니다.

* Sensorless method

BLDC 모터는 센서(sensor)의 유무에 따라 크게 두 가지 구분하는데, CD-ROM 모터로 대표되는 센서를 가진 BLDC 모터는 제어기가 간편해질 수는 있으나 모터에 센서가 장착되어 단가가 올라가고, 혹한 환경에서 센서의 정밀도가 떨어지며, 모터 외부로 추가적인 배선이 요구되는 등 고장이 쉽다는 것입니다. 하지만 센서 없는 BLDC 모터는 이를 구동하는 제어기가 복잡해지는 단점은 있지만, MCU의 지속적인 성능 개선으로 얼마든지 이를 극복할 수 있으므로 근래에 보다 선호하게 되었다는 것입니다.

Features:

• Fastest possible power response.

• Up to 4000 steps of resolution.

• Low noise with comparatively high efficiency. (Sigma-delta modulator, instead of fixed frequency PWM)

• Linear power response. (completely no "bump" at 100%)

• Jitter-free input PWM measurement without harware assisted input capture.

• Accepts any PWM update rate.

• Sync recovery.

• Safe stall detection.

• Complimentary PWM support. (AKA: active freewheeling, active rectification)

• Fixed throttle end-points. No need to calibrate. (since version 2.0.9 it is also possible to calibrate end-points using stick programming procedure)

• Automatic oscillator calibration.

• Enhanced PPM filter, preventing accidental motor startup. (when FC is rebooted, for example)

• Configurable. The configuration parameters are stored in EEPROM. The Wii-ESC flash tool has visual parameters editor. No more stick programming.

• Modularity. The high-level implementation is separated from actual hardware with HAL layer.

• Portability. The firmware is written in C++, which means it can be easilly ported to different platform.